基于激光近感探測(cè)的遠(yuǎn)距離捕捉網(wǎng)彈設(shè)計(jì)

鄒攀攀，劉加凱，王 婭

(武警工程大學(xué) 裝備管理與保障學(xué)院，西安 710086)

1 引言

捕捉網(wǎng)又叫抓捕網(wǎng)，是以撒網(wǎng)方式捉拿目標(biāo)的非致命武器，在國(guó)內(nèi)外遂行各項(xiàng)使命任務(wù)中能夠發(fā)揮奇效[1-3]。傳統(tǒng)捕捉網(wǎng)原理簡(jiǎn)單、安全可靠，對(duì)目標(biāo)無(wú)傷害，但運(yùn)用捕捉網(wǎng)遂行任務(wù)時(shí)，由于在發(fā)射后捕捉網(wǎng)隨即張開(kāi)，使得速度衰減極快，其有效作用距離短，容易造成目標(biāo)逃脫，不能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離精準(zhǔn)抓捕，國(guó)內(nèi)外捕捉網(wǎng)有效作用距離通常為10～30 m[4]。

本研究中基于激光近感探測(cè)的遠(yuǎn)距離捕捉網(wǎng)彈是使用38 mm防暴槍進(jìn)行射擊，利用激光近感探測(cè)引信實(shí)現(xiàn)彈體在距離目標(biāo)固定距離上爆炸，使用二次爆炸后張開(kāi)的捕捉網(wǎng)對(duì)目標(biāo)實(shí)施較低程度的打擊(抓捕和控制)的一種造價(jià)較低但實(shí)用性更高的彈藥，有效作用距離可達(dá)70 m。

2 捕捉網(wǎng)彈總體設(shè)計(jì)

結(jié)合捕捉網(wǎng)彈的任務(wù)需要，分析各部分的結(jié)構(gòu)組成以及工作原理、性能特點(diǎn)等，研究遠(yuǎn)距離捕捉網(wǎng)彈各部件之間的關(guān)系，在參考當(dāng)前38 mm槍發(fā)式防暴彈藥的基礎(chǔ)上，對(duì)遠(yuǎn)距離捕捉網(wǎng)彈進(jìn)行總體設(shè)計(jì)[5-6]，如圖1所示。

圖1 彈體外觀效果圖Fig.1 Exterior rendering of the projectile body

工作原理：捕捉網(wǎng)彈在發(fā)射火藥點(diǎn)燃后產(chǎn)生的高溫氣體的推力的作用下飛向目標(biāo)，同時(shí)探測(cè)器開(kāi)關(guān)啟動(dòng)，激光探測(cè)器開(kāi)始供電；防暴彈彈體在飛行的途中，處于彈體前端的探測(cè)器利用不斷發(fā)射的高頻激光來(lái)探測(cè)飛行中的網(wǎng)彈與目標(biāo)之間的距離，當(dāng)網(wǎng)彈彈體飛行到距離目標(biāo)固定距離時(shí)(考慮到捕捉網(wǎng)完全張開(kāi)的時(shí)間以及張開(kāi)的速度，距離設(shè)定為4～5 m)，激光探測(cè)器接收到返回波后，瞬間向電點(diǎn)火頭發(fā)出點(diǎn)火信號(hào)，接著點(diǎn)火頭點(diǎn)燃彈體火藥，彈體爆炸進(jìn)而將捕捉網(wǎng)發(fā)射，捕捉網(wǎng)會(huì)在瞬間張開(kāi)從而捕獲或限制目標(biāo)。

3 捕捉網(wǎng)彈關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 激光近感探測(cè)引信設(shè)計(jì)

根據(jù)遠(yuǎn)距離捕捉網(wǎng)彈對(duì)測(cè)距準(zhǔn)確度、質(zhì)量、體積和成本的要求，合理地設(shè)計(jì)激光近感探測(cè)引信的結(jié)構(gòu)尺寸，確定合適的激光近感探測(cè)引信的定距距離和反應(yīng)靈敏度，合理確定起爆時(shí)機(jī)[7-8]。研究激光近感探測(cè)引信的信號(hào)處理電路，使處理后的目標(biāo)信號(hào)能夠準(zhǔn)確形成防暴彈的起爆信號(hào)。激光近感探測(cè)引信可采取幾何截?cái)喽ň嗵綔y(cè)式激光探測(cè)器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精確度較高以及售價(jià)便宜的特點(diǎn)，其探測(cè)原理如圖2所示。

由圖2中右圖看出，從T1位置光束反射回來(lái)形成的光斑T1′處于探測(cè)器的處理范圍之外，而當(dāng)彈體與目標(biāo)的之間的距離為T(mén)2時(shí)，反射的激光束光斑T2′進(jìn)入探測(cè)器的處理范圍，此時(shí)光電探測(cè)器就能將接收到信號(hào)進(jìn)行光—電的轉(zhuǎn)化，而后電信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后便可形成啟動(dòng)信號(hào)。T2處與激光探測(cè)器的距離即為激光探測(cè)器的定距距離L，其計(jì)算公式為

圖2 激光幾何截?cái)喽ň嗵綔y(cè)原理圖Fig.2 Schematic diagram of laser geometric truncation distance detection

(1)

式中：d為兩準(zhǔn)直透鏡軸線的距離；α為激光發(fā)射器射出光束同目標(biāo)、探測(cè)器連線之間所形成的夾角。調(diào)節(jié)激光發(fā)射器和光電探測(cè)器的相對(duì)位置就可以改變激光探測(cè)器的定距距離L[9]。信號(hào)處理電路是激光近感探測(cè)引信發(fā)揮作用的關(guān)鍵部分，主要由微處理器和比較器組成[10-12]。激光近感探測(cè)引信的微處理器使用8051單片機(jī)，比較器使用PC2530比較器，都擁有較好的可靠性[13-15]，信號(hào)處理電路示意圖，如圖3所示。

圖3 激光近感探測(cè)引信中的信號(hào)處理電路Fig.3 Signal processing circuit in laser proximity detection fuze

3.2 電源、彈筒、底火、發(fā)射裝藥設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)距離捕捉網(wǎng)彈的電源選擇蓄電時(shí)間長(zhǎng)、儲(chǔ)能密度高、體積小、質(zhì)量輕、自放電小的鋰電池；彈筒、底火和發(fā)射裝藥部分可參考防暴槍和發(fā)射器發(fā)射防暴彈藥的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3 安全與解除保險(xiǎn)裝置設(shè)計(jì)

安全與解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)安裝于彈體系統(tǒng)中，用于保證捕捉網(wǎng)彈平時(shí)的安全性和作用過(guò)程的可靠性。在平時(shí)狀態(tài)下，彈丸處于保險(xiǎn)狀態(tài)，電源處于未激活狀態(tài)；當(dāng)發(fā)射后，安全與解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在后坐力和離心力作用下解除保險(xiǎn)，電源激活并在解除保險(xiǎn)后向激光探測(cè)器供電。

3.4 捕捉網(wǎng)設(shè)計(jì)

捕捉網(wǎng)從飛行中的戰(zhàn)斗主體彈體中拋出，在空中瞬間張開(kāi)至足以罩住目標(biāo)的大小，借助慣性向前繼續(xù)運(yùn)動(dòng)直到將目標(biāo)纏繞并牢牢束縛住，使之行動(dòng)受限或失去行動(dòng)能力。

3.4.1捕捉網(wǎng)材料

目前比較合適的高強(qiáng)度纖維材料有2種，一種是凱夫拉，另一種是迪尼瑪，如表1所示。

表1 幾種高強(qiáng)度纖維的性能比較Table 1 Comparison of properties of several high strength fibers

通過(guò)對(duì)比2種材料的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)于捕捉網(wǎng)的實(shí)際影響，決定選擇凱夫拉材料制作捕捉網(wǎng)。

3.4.2捕捉網(wǎng)面積

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)原則，結(jié)合實(shí)戰(zhàn)需要充分發(fā)揮性能，經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)資料以及在前人研究的基礎(chǔ)上，最終決定選用10 m2左右的捕捉網(wǎng)[16]。

3.4.3捕捉網(wǎng)形狀

現(xiàn)有的捕捉網(wǎng)主要有四邊形、圓形、六邊形和八邊形[17]。四邊形網(wǎng)在捕網(wǎng)發(fā)射出來(lái)后如果有1～2個(gè)牽引頭出現(xiàn)初速慢或方向偏移的情況，極有可能會(huì)對(duì)捕捉網(wǎng)的張開(kāi)、方向造成較大影響；八邊形由于牽引頭數(shù)量較多，在出網(wǎng)的瞬間可能因?yàn)榘l(fā)射者跑動(dòng)或其他原因造成牽引頭纏繞導(dǎo)致發(fā)射失敗。對(duì)比圓形和六邊形捕捉網(wǎng)，因?yàn)榱呅尉W(wǎng)可由三角形組成，有更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，捕捉效果更出色。綜合以上分析，更為合適的選擇為六邊形捕捉網(wǎng)。

3.4.4網(wǎng)孔大小

參考《中國(guó)成年人人體尺寸(GB10000—88)》，普通成年人頭部周長(zhǎng)平均為56～58 cm，16～60周歲的男性的肩寬平均為37.5 cm，18～55周歲的女性的肩寬平均為35.1 cm。選取網(wǎng)體中間段長(zhǎng)度為35 cm，最外側(cè)邊長(zhǎng)為2 m，通過(guò)計(jì)算得出網(wǎng)體面積為10.38 m2，如圖4所示。之所以選擇網(wǎng)體中間段長(zhǎng)度為35 cm，考慮到即使外側(cè)網(wǎng)孔大于人體平均肩寬，捕捉網(wǎng)的有效作用面在網(wǎng)體中心附近位置，仍然能夠?qū)⒛繕?biāo)完全罩??；同時(shí)，要兼顧網(wǎng)孔大小，如果網(wǎng)孔設(shè)計(jì)過(guò)密，將會(huì)增加網(wǎng)體質(zhì)量，影響飛行速度。因此，捕捉網(wǎng)的疏密程度以35 cm為參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠最大限度滿(mǎn)足要求。

圖4 捕捉網(wǎng)展開(kāi)示意圖Fig.4 Diagram of capture net expansion

3.5 牽引塊設(shè)計(jì)

為了使?fàn)恳龎K更容易將彈筒擊碎，而又不至于對(duì)目標(biāo)造成傷害，牽引塊靠近彈筒一端采取圓錐體設(shè)計(jì)，牽引塊前端直徑初步設(shè)計(jì)為5 mm，如圖5所示。

圖5 牽引塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Diagram of traction block structure

牽引塊系于六邊形捕捉網(wǎng)的各頂點(diǎn)，置于拋撒裝置前端的凹槽內(nèi)，如圖6所示。

圖6 拋撒裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Diagram of spreader structure

4 效能分析與仿真

分析捕捉網(wǎng)在空中飛行時(shí)的受力情況，對(duì)捕捉網(wǎng)作用效能進(jìn)行仿真[18-19]。

4.1 捕捉網(wǎng)彈的應(yīng)力分析

4.1.1牽引塊的受力分析

牽引塊在飛行過(guò)程中主要受3個(gè)力的作用，即空氣阻力F，牽引繩拉力R，重力G。牽引塊受空氣阻力F方向與飛行方向相反，空氣阻力F大小可表示為：

(2)

牽引塊迎風(fēng)面積S大小可表示為：

(3)

式中：ρ為空氣密度；v為飛行速度；S為迎風(fēng)面積；Cx為空氣阻力系數(shù)；d為牽引塊前端直徑。

牽引繩拉力R大小可表示為：

(4)

式中：zmax為張力極限；L為拉伸線性比；ε為應(yīng)變；W為單位長(zhǎng)度抗拉能。

4.1.2捕捉網(wǎng)受力分析

捕捉網(wǎng)在牽引塊拉力帶動(dòng)下飛行過(guò)程中，共受到4個(gè)力作用，即牽引塊拉力Rf；放線阻力f；空氣阻力FZ；捕捉網(wǎng)的重力mg。牽引塊拉力Rf的方向與牽引頭飛行方向相同；放線阻力與放線方式有關(guān)，在計(jì)算中忽略不計(jì)；空氣阻力FZ大小可表示為：

(5)

式中：S為捕捉網(wǎng)網(wǎng)體面積；Cxf為捕捉網(wǎng)與空氣間的摩擦阻力系數(shù)。

4.2 捕捉網(wǎng)張開(kāi)的模擬仿真

根據(jù)已有的網(wǎng)繩材料非線性數(shù)據(jù)，設(shè)置建模仿真基本參數(shù)[20-21]，如表2所示。

表2 網(wǎng)體建模仿真基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of mash modeling and simulation

網(wǎng)的各頂點(diǎn)分別配置一個(gè)牽引塊，通過(guò)牽引線與網(wǎng)相連。主要研究網(wǎng)體在發(fā)射后，在牽引塊作用下飛行的這段過(guò)程，網(wǎng)體的選擇易采用柔性和非線性因素，材料選用高強(qiáng)度、防灼燒、密度低的凱夫拉纖維絲繩?；谝陨弦剡M(jìn)行仿真，得出如圖7所示結(jié)果。

根據(jù)仿真要求，捕捉網(wǎng)在空中受到爆炸沖擊力后，牽引塊帶動(dòng)網(wǎng)體張開(kāi)飛向目標(biāo)，如圖7(a)所示，張開(kāi)到最大面積并且不斷接近目標(biāo)，如圖7(b)所示，最終捕獲目標(biāo)進(jìn)行纏繞，如圖7(c)所示。通過(guò)模擬仿真結(jié)果可以看出，網(wǎng)體在空中飛行過(guò)程中，能夠有效反映出捕捉網(wǎng)的作用效能。

圖7 網(wǎng)體仿真運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖Fig.7 Network body simulation motion diagram

5 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)捕捉網(wǎng)系統(tǒng)作用距離近、捕捉效果差等問(wèn)題，提出了一種基于激光近感探測(cè)原理的遠(yuǎn)距離捕捉網(wǎng)彈設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證該方法的有效性。所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)距離捕捉網(wǎng)彈能夠最大限度發(fā)揮捕捉網(wǎng)效能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)捕捉功能，為執(zhí)法部門(mén)遂行執(zhí)勤、處突任務(wù)提供裝備支撐。